เป็นรถยนต์ไฟฟ้าที่ง่ายพอๆ กับการประกอบแบตเตอรี่และมอเตอร์

ถึงเวลาและสถานที่ที่เหมาะสม และบริษัทรถยนต์ไฟฟ้าของจีนทั้งหมดก็ถูกยึดครอง จีนดูเหมือนจะกลายเป็นศูนย์กลางของอุตสาหกรรมยานยนต์ไฟฟ้าของโลก

ที่จริงแล้ว ในประเทศเยอรมนี หากเครื่องของคุณไม่มีแท่นชาร์จ คุณอาจต้องซื้อด้วยตนเอง ที่หน้าประตูบ้าน อย่างไรก็ตาม เรามักจะพูดคุยกันอยู่เสมอว่าเหตุใดบริษัทรถยนต์สัญชาติเยอรมันที่ยอดเยี่ยมหลายแห่งไม่สามารถสร้าง Tesla ได้ และการค้นหาเหตุผลก็ไม่ใช่เรื่องยากในตอนนี้

ในปี 2014 ศาสตราจารย์ Lienkamp แห่งมหาวิทยาลัยเทคนิคมิวนิกได้ตีพิมพ์หนังสือเล่มใหม่ “Status of electrical mobility 2014” ซึ่งเปิดให้สังคมเข้าชมได้ฟรี และกล่าวว่า “แม้ว่ารถยนต์ไฟฟ้าจะมีข้อบกพร่องต่างๆ กัน แต่ฉันไม่เคยเห็นรถยนต์คันไหนที่ เป็นเจ้าของระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าแล้ว ผู้ขับรถยนต์กลับเข้าสู่อ้อมกอดของรถแบบเดิมๆ แม้แต่รถยนต์ไฟฟ้าทั่วไปก็ยังมอบความสุขในการขับขี่ให้กับคุณ ซึ่งไม่มีรถยนต์เบนซินเทียบได้” รถแบบนี้ทำให้เจ้าของรถไม่ต่ออายุได้จริงเหรอ โยนกลับคืนสู่อ้อมแขนของรถแบบเดิมๆ เหรอ?

ดังที่เราทราบกันดีว่าหัวใจของรถยนต์ไฟฟ้าคือแบตเตอรี่

สำหรับยานยนต์ไฟฟ้าธรรมดาภายใต้การทดสอบมาตรฐานยุโรป การใช้พลังงานต่อ 100 กิโลเมตรจะอยู่ที่ประมาณ 17kWh หรือ 17 kWh ดร. Thomas Pesce ศึกษาการใช้พลังงานของรถยนต์ขนาดกะทัดรัดภายใต้การกำหนดค่าที่เหมาะสมที่สุด โดยไม่คำนึงถึงต้นทุน การใช้พลังงานที่เหมาะสมต่อ 100 กิโลเมตรที่ได้จากการใช้เทคโนโลยีที่มีอยู่จะมากกว่า 15kWh เล็กน้อย ซึ่งหมายความว่าในระยะสั้น การพยายามลดการใช้พลังงานโดยการเพิ่มประสิทธิภาพของตัวรถเอง แม้จะไม่ได้คำนึงถึงต้นทุนเพิ่มเติม แต่ผลการประหยัดพลังงานก็ค่อนข้างน้อย

ยกตัวอย่างชุดแบตเตอรี่ 85kWh ของ Tesla ระยะทางขับรถที่กำหนดคือ 500 กม. หากลดการใช้พลังงานลงเหลือ 15kWh/100km ด้วยความพยายามต่างๆ ระยะทางในการขับขี่จะเพิ่มขึ้นเป็น 560km ดังนั้นจึงอาจกล่าวได้ว่าอายุการใช้งานแบตเตอรี่ของรถยนต์เป็นสัดส่วนกับความจุของชุดแบตเตอรี่ และค่าสัมประสิทธิ์สัดส่วนค่อนข้างคงที่ จากมุมมองนี้ การใช้แบตเตอรี่ที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่า (ต้องพิจารณาทั้งพลังงาน Wh/kg ต่อหน่วยน้ำหนัก และพลังงาน Wh/L ต่อหน่วยปริมาตร) มีความสำคัญอย่างยิ่งในการปรับปรุงประสิทธิภาพของยานพาหนะไฟฟ้า เพราะใน รถยนต์ไฟฟ้าแบตเตอรี่กินพื้นที่ส่วนใหญ่ของน้ำหนักรวม

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทุกชนิดเป็นแบตเตอรี่ที่ได้รับการคาดหวังและใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุด แบตเตอรี่ลิเธียมที่ใช้ในรถยนต์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยแบตเตอรี่นิกเกิลโคบอลต์ลิเธียมแมงกาเนตไตรภาค (NCM) แบตเตอรี่ลิเธียมอะลูมิเนตนิกเกิลโคบอลต์ (NCA) และแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (LPF)

1. แบตเตอรี่แบบไตรภาคลิเธียมแมงกาเนตนิกเกิลโคบอลต์ NCMถูกใช้ในรถยนต์ไฟฟ้าจำนวนมากในต่างประเทศ เนื่องจากมีอัตราการผลิตความร้อนต่ำ ความเสถียรค่อนข้างดี อายุการใช้งานยาวนาน และความหนาแน่นของพลังงาน 150-220Wh/กก.

2. แบตเตอรี่ลิเธียมอะลูมิเนตนิกเกิลโคบอลต์ NCA

เทสลาใช้แบตเตอรี่นี้ ความหนาแน่นของพลังงานอยู่ในระดับสูงที่ 200-260Wh/kg และคาดว่าจะถึง 300Wh/kg เร็วๆ นี้ ปัญหาหลักคือปัจจุบันมีเพียง Panasonic เท่านั้นที่สามารถผลิตแบตเตอรี่นี้ได้ ราคาสูง และความปลอดภัยแย่ที่สุดในบรรดาแบตเตอรี่ลิเธียมสามก้อนซึ่งต้องใช้ระบบกระจายความร้อนและระบบจัดการแบตเตอรี่ประสิทธิภาพสูง

3. แบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต LPF สุดท้ายนี้เรามาดูแบตเตอรี่ LPF ที่ใช้มากที่สุดในรถยนต์ไฟฟ้าในประเทศกัน ข้อเสียที่ใหญ่ที่สุดของแบตเตอรี่ประเภทนี้คือความหนาแน่นของพลังงานต่ำมาก ซึ่งสามารถเข้าถึงได้เพียง 100-120Wh/กก. นอกจากนี้ LPF ยังมีอัตราการปลดปล่อยตัวเองสูงอีกด้วย ผู้ผลิต EV ไม่ต้องการสิ่งนี้ การนำ LPF มาใช้อย่างแพร่หลายในประเทศจีนเปรียบเสมือนการประนีประนอมโดยผู้ผลิตในประเทศในเรื่องการจัดการแบตเตอรี่และระบบทำความเย็นที่มีราคาแพง แบตเตอรี่ LPF มีความเสถียรและความปลอดภัยสูงมาก และสามารถรับประกันการทำงานที่เสถียรแม้ระบบการจัดการแบตเตอรี่ไม่ดีและอายุการใช้งานแบตเตอรี่ยาวนานขึ้น ข้อดีอีกประการหนึ่งจากคุณสมบัตินี้คือแบตเตอรี่ LPF บางรุ่นมีความหนาแน่นของพลังงานคายประจุที่สูงมาก ซึ่งสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพไดนามิกของยานพาหนะได้ นอกจากนี้ราคาของแบตเตอรี่ LPF ค่อนข้างต่ำ ดังนั้นจึงเหมาะสมกับกลยุทธ์ราคาต่ำและราคาต่ำของรถยนต์ไฟฟ้าในประเทศในปัจจุบัน แต่ไม่ว่าจะพัฒนาอย่างแข็งแกร่งในฐานะเทคโนโลยีแบตเตอรี่แห่งอนาคตก็ยังมีคำถามอยู่

แบตเตอรี่ของรถยนต์ไฟฟ้าโดยเฉลี่ยควรมีขนาดใหญ่แค่ไหน? เป็นชุดแบตเตอรี่ที่มีแบตเตอรี่ Tesla หลายพันชุดทั้งแบบอนุกรมและขนาน หรือเป็นชุดแบตเตอรี่ที่สร้างด้วยแบตเตอรี่ขนาดใหญ่สองสามก้อนจาก BYD นี่เป็นคำถามที่อยู่ระหว่างการวิจัย และขณะนี้ยังไม่มีคำตอบที่ชัดเจน ต่อไปนี้จะแนะนำเฉพาะคุณลักษณะของแบตเตอรี่ที่ประกอบด้วยเซลล์ขนาดใหญ่และเซลล์ขนาดเล็กเท่านั้น

เมื่อแบตเตอรี่มีขนาดเล็ก พื้นที่กระจายความร้อนโดยรวมของแบตเตอรี่จะมีขนาดค่อนข้างใหญ่ และอุณหภูมิของชุดแบตเตอรี่ทั้งหมดสามารถควบคุมได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านการออกแบบการกระจายความร้อนที่เหมาะสม เพื่อป้องกันไม่ให้อุณหภูมิสูงเร่งและเบี่ยงเบนไปจาก อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ โดยทั่วไปแล้ว ความหนาแน่นของพลังงานและพลังงานของแบตเตอรี่ที่มีความจุเดี่ยวน้อยกว่าจะสูงกว่า สุดท้ายนี้ และที่สำคัญกว่านั้น โดยทั่วไปแล้ว ยิ่งแบตเตอรี่หนึ่งก้อนมีพลังงานน้อยลง ความปลอดภัยของยานพาหนะทั้งคันก็จะยิ่งสูงขึ้นตามไปด้วย ก้อนแบตเตอรี่ประกอบด้วยเซลล์ขนาดเล็กจำนวนมาก แม้ว่าเซลล์เดียวจะล้มเหลว แต่ก็จะไม่ทำให้เกิดปัญหามากเกินไป แต่หากมีปัญหาภายในแบตเตอรี่ที่มีความจุสูง อันตรายด้านความปลอดภัยก็จะยิ่งใหญ่กว่ามาก ดังนั้นเซลล์ขนาดใหญ่จึงจำเป็นต้องมีอุปกรณ์ป้องกันเพิ่มเติม ซึ่งจะช่วยลดความหนาแน่นของพลังงานของชุดแบตเตอรี่ที่ประกอบด้วยเซลล์ขนาดใหญ่อีกด้วย

อย่างไรก็ตาม ด้วยวิธีแก้ปัญหาของ Tesla ข้อเสียก็ชัดเจนเช่นกัน แบตเตอรี่หลายพันก้อนต้องการระบบการจัดการแบตเตอรี่ที่ซับซ้อนอย่างยิ่ง และเราไม่สามารถประเมินค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมต่ำเกินไปได้ BMS (Battery Management System) ที่ใช้กับ Volkswagen E-Golf ซึ่งเป็นโมดูลย่อยที่สามารถจัดการแบตเตอรี่ได้ 12 ก้อน มีราคา 17 ดอลลาร์ จากการประมาณการจำนวนแบตเตอรี่ที่ Tesla ใช้ แม้ว่าต้นทุนของ BMS ที่พัฒนาตนเองจะต่ำ แต่ต้นทุนการลงทุนของ Tesla ใน BMS ก็มากกว่า 5,000 ดอลลาร์สหรัฐ คิดเป็นมากกว่า 5% ของต้นทุนของ ยานพาหนะทั้งหมด จากมุมมองนี้ไม่อาจกล่าวได้ว่าแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ไม่ดี ในกรณีที่ราคา BMS ไม่ได้ลดลงมากนัก ควรกำหนดขนาดของชุดแบตเตอรี่ตามตำแหน่งของรถ

ในฐานะที่เป็นเทคโนโลยีหลักอีกประการหนึ่งในรถยนต์ไฟฟ้า มอเตอร์มักจะกลายเป็นประเด็นหลักของการอภิปราย โดยเฉพาะมอเตอร์ขนาดแตงโมของเทสลาที่มีสมรรถนะแบบรถสปอร์ต ซึ่งน่าประหลาดใจยิ่งกว่านั้นอีก (กำลังสูงสุดของมอเตอร์รุ่น S สามารถเข้าถึงได้มากกว่า 300kW สูงสุด แรงบิดอยู่ที่ 600 นิวตันเมตร และกำลังสูงสุดใกล้เคียงกับกำลังของมอเตอร์ตัวเดียวของ EMU ความเร็วสูง) นักวิจัยในอุตสาหกรรมยานยนต์ของเยอรมนีบางคนให้ความเห็นดังนี้:

Tesla แทบไม่ได้ใช้อะไรเลยนอกจากส่วนประกอบทั่วไป (ตัวเครื่องอะลูมิเนียมมอเตอร์แบบอะซิงโครนัสสำหรับการขับเคลื่อน เทคโนโลยีแชสซีแบบธรรมดาพร้อมอากาศระบบกันสะเทือน, ESP และระบบเบรกแบบธรรมดาพร้อมปั๊มสุญญากาศไฟฟ้า, เซลล์แล็ปท็อป ฯลฯ )

Tesla ใช้ชิ้นส่วนทั่วไปทั้งหมด ตัวถังอะลูมิเนียม มอเตอร์แบบอะซิงโครนัส โครงสร้างรถยนต์ทั่วไป ระบบเบรก และแบตเตอรี่แล็ปท็อป ฯลฯ

นวัตกรรมที่แท้จริงเพียงอย่างเดียวอยู่ที่เทคโนโลยีที่เชื่อมต่อกับแบตเตอรี่เซลล์ซึ่งใช้ลวดเชื่อมที่เทสลาจดสิทธิบัตรไว้ เช่นเดียวกับแบตเตอรี่ระบบการจัดการที่สามารถแฟลชแบบ “เหนืออากาศ” หมายความว่ายานพาหนะไม่จำเป็นต้องขับรถไปที่ศูนย์บริการเพื่อรับการอัพเดตซอฟต์แวร์อีกต่อไป

สิ่งประดิษฐ์อัจฉริยะเพียงอย่างเดียวของ Tesla คือการจัดการแบตเตอรี่ พวกเขาใช้สายเคเบิลแบตเตอรี่พิเศษและ BMS ที่ช่วยให้สามารถเชื่อมต่อเครือข่ายไร้สายโดยตรงโดยไม่จำเป็นต้องกลับไปที่โรงงานเพื่ออัปเดตซอฟต์แวร์

ในความเป็นจริง มอเตอร์แบบอะซิงโครนัสความหนาแน่นพลังงานสูงของ Tesla ไม่ใช่เรื่องใหม่เกินไป ในรถยนต์ Roadster รุ่นแรกสุดของ Tesla นั้น ใช้ผลิตภัณฑ์ของ Tomita Electric จากไต้หวัน และพารามิเตอร์ก็ไม่แตกต่างจากพารามิเตอร์ที่ Model S ประกาศมากนัก ในการวิจัยในปัจจุบัน นักวิชาการทั้งในและต่างประเทศมีการออกแบบที่มีต้นทุนต่ำและมีกำลังสูง มอเตอร์ที่สามารถนำไปผลิตได้อย่างรวดเร็ว ดังนั้นเมื่อมองดูสนามนี้ ให้หลีกเลี่ยง Tesla ในตำนาน เพราะมอเตอร์ของ Tesla นั้นดีพอ แต่ก็ไม่ได้ดีจนไม่มีใครสร้างมันขึ้นมาได้

ในบรรดามอเตอร์หลายประเภท มอเตอร์ที่ใช้กันทั่วไปในยานพาหนะไฟฟ้าส่วนใหญ่เป็นมอเตอร์แบบอะซิงโครนัส (หรือที่เรียกว่ามอเตอร์เหนี่ยวนำ) มอเตอร์ซิงโครนัสที่ตื่นเต้นภายนอก มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร และมอเตอร์ซิงโครนัสแบบไฮบริด ผู้ที่เชื่อว่ามอเตอร์สามตัวแรกมีความรู้เกี่ยวกับรถยนต์ไฟฟ้าบ้างก็จะมีแนวคิดพื้นฐานบางประการ มอเตอร์แบบอะซิงโครนัสมีต้นทุนต่ำและมีความน่าเชื่อถือสูง มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรมีความหนาแน่นและประสิทธิภาพของกำลังสูง ขนาดเล็กแต่ราคาสูง และการควบคุมส่วนความเร็วสูงที่ซับซ้อน -

คุณอาจเคยได้ยินเกี่ยวกับมอเตอร์ซิงโครนัสแบบไฮบริดไม่มากนัก แต่เมื่อเร็ว ๆ นี้ ซัพพลายเออร์มอเตอร์ในยุโรปหลายรายได้เริ่มจัดหามอเตอร์ดังกล่าว ความหนาแน่นและประสิทธิภาพของพลังงานสูงมาก และความสามารถในการโอเวอร์โหลดก็แข็งแกร่ง แต่การควบคุมก็ทำได้ไม่ยาก ซึ่งเหมาะมากสำหรับยานพาหนะไฟฟ้า

ไม่มีอะไรพิเศษเกี่ยวกับมอเตอร์นี้ เมื่อเปรียบเทียบกับมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร นอกจากแม่เหล็กถาวรแล้ว โรเตอร์ยังเพิ่มขดลวดกระตุ้นที่คล้ายคลึงกับมอเตอร์ซิงโครนัสแบบดั้งเดิมอีกด้วย มอเตอร์ดังกล่าวไม่เพียงแต่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงที่แม่เหล็กถาวรนำมาเท่านั้น แต่ยังสามารถปรับสนามแม่เหล็กได้ตามความต้องการผ่านขดลวดกระตุ้น ซึ่งสามารถควบคุมได้ง่ายในแต่ละส่วนความเร็ว ตัวอย่างทั่วไปคือมอเตอร์ซีรีส์ HSM1 ที่ผลิตโดย BRUSA ในสวิตเซอร์แลนด์ เส้นโค้งคุณลักษณะ HSM1-10.18.22 ดังแสดงในรูปด้านล่าง กำลังสูงสุดคือ 220kW และแรงบิดสูงสุดคือ 460Nm แต่ปริมาตรเพียง 24 ลิตร (เส้นผ่านศูนย์กลาง 30 ซม. และความยาว 34 ซม.) และมีน้ำหนักประมาณ 76 กก. ความหนาแน่นของพลังงานและความหนาแน่นของแรงบิดโดยพื้นฐานแล้วเทียบได้กับผลิตภัณฑ์ของ Tesla แน่นอนว่าราคาไม่ถูก มอเตอร์นี้ติดตั้งตัวแปลงความถี่และราคาอยู่ที่ประมาณ 11,000 ยูโร

สำหรับความต้องการรถยนต์ไฟฟ้านั้น การสั่งสมเทคโนโลยีมอเตอร์ก็เพียงพอแล้ว สิ่งที่ขาดอยู่ในปัจจุบันคือมอเตอร์ที่ออกแบบมาสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าโดยเฉพาะ ไม่ใช่เทคโนโลยีในการผลิตมอเตอร์ดังกล่าว เชื่อกันว่าเมื่อตลาดเติบโตและการพัฒนาอย่างค่อยเป็นค่อยไป มอเตอร์ที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงจะได้รับความนิยมมากขึ้นเรื่อยๆ และราคาก็จะใกล้ชิดกับผู้คนมากขึ้นเรื่อยๆ

ในส่วนของความต้องการรถยนต์ไฟฟ้านั้น ปัจจุบัน มีเพียงมอเตอร์ที่ออกแบบเป็นพิเศษสำหรับยานยนต์ไฟฟ้ายังขาดอยู่ เชื่อกันว่าเมื่อตลาดเติบโตและการพัฒนาอย่างค่อยเป็นค่อยไป มอเตอร์ที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงจะได้รับความนิยมมากขึ้นเรื่อยๆ และราคาก็จะใกล้ชิดกับผู้คนมากขึ้นเรื่อยๆ

การวิจัยเกี่ยวกับยานพาหนะไฟฟ้าจำเป็นต้องกลับไปสู่สาระสำคัญ สาระสำคัญของยานพาหนะไฟฟ้าคือการขนส่งที่ปลอดภัยและราคาไม่แพง ไม่ใช่ห้องปฏิบัติการเทคโนโลยีเคลื่อนที่ และไม่จำเป็นต้องใช้เทคโนโลยีที่ทันสมัยและทันสมัยที่สุดเสมอไป ในการวิเคราะห์ขั้นสุดท้ายควรมีการวางแผนและออกแบบตามความต้องการของภูมิภาค

การเกิดขึ้นของ Tesla ได้แสดงให้ผู้คนเห็นว่าอนาคตต้องเป็นของรถยนต์ไฟฟ้า ยานพาหนะไฟฟ้าในอนาคตจะมีลักษณะอย่างไร และจุดยืนที่จีนจะครอบครองในอุตสาหกรรมยานยนต์ไฟฟ้าในอนาคตยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด นี่เป็นเสน่ห์ของงานอุตสาหกรรมเช่นกัน: แตกต่างจากวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ แม้แต่ผลลัพธ์ที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ที่ระบุโดยกฎแห่งสังคมศาสตร์ก็ยังต้องการให้ผู้คนบรรลุเป้าหมายด้วยการสำรวจและความพยายามอันยากลำบาก!

(ผู้เขียน: ผู้สมัครระดับปริญญาเอกสาขาวิศวกรรมยานยนต์ไฟฟ้าที่มหาวิทยาลัยเทคนิคมิวนิก)